压磁柔性薄膜应力敏感机理与实验研究

以钴铁基和铁基非晶、纳米晶粉体为应力敏感功能材料，以高性能硅橡胶为赋形基体材料，通过高能球磨/超声分散、精密模压预成型- - -辐射硫化技术制备出厚度≤70μm 的"巨应力阻抗压磁粉体/硅橡胶"压磁柔性薄膜；设计系列试验，研究并确定压- - -阻、压- - -容、压- - -感力敏机制在复合薄膜 "阻抗Z- - -应力σ"中的影响程度、确立主要力敏机制及其存在条件，提出了薄膜力敏特性的新表征方法；系统研究影响压磁柔性薄膜力敏性能的组织、结构、及环境等因素并构建其影响规律，进而设计出以压磁机制为主导、具有良好压磁特性的压磁柔性薄膜；采用印制成型与绝缘封装方法，形成阵列式接触应力敏感元制作技术；最后，建立阵列式压磁薄膜敏感元应力- - -阻抗性能的多点同步数采系统，结合建模技术形成阵列式敏感元应力－阻抗性能的数值标定技术。研究结果将为压磁柔性薄膜的优化设计和应用提供技术支持。

大型装备及重点工程领域常需对壳体、管道等曲面异构组件间的连接状态、使用过程中的受力情况进行实时检测，从而使曲面异构组件间的接触应力敏感性能的测量成为力传感器领域的重要课题。.本研究以钴铁基、FeCuNbSiB非晶软磁粉体为功能填充粒子，以硅橡胶为基体材料，采用机械共混和精密铸压热成型方法制备了FeCuNbSiB软磁粉体/硅橡胶柔性力敏复合薄膜；循序渐进地设计和开发了复合薄膜在不同加载方式下的力敏特性测试技术和力敏性能表征方法；系统研究了复合薄膜的力敏特性，优化出具有优良力敏性能的复合薄膜；初步探讨了复合薄膜的力敏机制；最后，试制出了柔性接触应力传感器原理样机。本文研究主要取得以下结果：.(1) 在复合薄膜制备方面：可以制备长度≤200mm、宽度≤100mm、厚度50μm~2000μm的复合薄膜。解决了软磁粉体在橡胶中的均匀分散、橡胶与软磁粉体界面控制、复合薄膜厚度控制等问题。.(2) 复合薄膜力敏特性测试和性能表征方面：针对压应力条件，循序渐进地设计开发了静态/动态加载、不同温度湿度环境下加载情况下的应力阻抗测试系统。采用Z-σ标准等效曲线表征复合薄膜的力敏特性，用应力阻抗效应SI%表征复合薄膜力敏灵敏度。.(3) 在复合薄膜力敏特性研究方面：通过对复合薄膜力敏特性内外影响因素的优化，复合薄膜具有较佳力敏特性所具备的条件为：测试频率小于100kHz，压应力小于0.5MPa，FeCuNbSiB软磁粉体粒径(10~30)μm，且经480℃×1h热处理，FeCuNbSiB软磁粉体含量在(22.5~35)vol%之间，复合薄膜厚度小于300μm，环境温度13℃~50℃。.优化后的复合薄膜（FeCuNbSiB软磁粉体含量为27.5vol%、厚度为200±2μm）在连续加/卸载速率不大于0.5mm/min或保压条件下，测试频率1kHz、压应力0.2MPa~1.0MPa范围内，薄膜的SI%值为6%~23%。.(4) 在复合薄膜力敏机制研究方面：复合薄膜在交流测试电路中呈现压-容和压-阻特征。影响复合薄膜压-容和压-阻特性的关键因素是复合薄膜模量和粉体含量。.(5) 通过柔性电路印刷及热压封装技术实现了对优化后的复合薄膜的封装并制得了柔性接触应力传感器原理样机，样机具有良好的力敏特性和阻抗蠕变性能。有望成为新一代接触应力传感器，具有很好的应用前景。